0 引言

    室內(nèi)服務(wù)型移動機(jī)器人作為機(jī)器人中一個重要的分支，使人們的生活變得更加便捷。目前，已有一些機(jī)器人應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中，例如美國TRC公司研制的Helpmate醫(yī)用機(jī)器人、IROBOT公司的掃地機(jī)器人Roomba等^[1]。

    當(dāng)前，室內(nèi)服務(wù)型機(jī)器人多采用兩輪差速驅(qū)動，其主要原因是控制系統(tǒng)較為成熟，但是對于帶有配送功能的機(jī)器人來說，帶拖車的結(jié)構(gòu)能夠在驅(qū)動電機(jī)扭矩不變的情況下，運(yùn)輸更多的貨物，并且轉(zhuǎn)向更加靈活。帶拖車的移動機(jī)器人主要由一節(jié)牽引車頭與若干節(jié)拖車組成，牽引車主要完成驅(qū)動與轉(zhuǎn)向作用，拖車隨著牽引車進(jìn)行運(yùn)動。這類自主運(yùn)行的配送機(jī)器人可用于工廠車間的材料運(yùn)輸，醫(yī)院內(nèi)部的藥品運(yùn)輸，大型碼頭的貨物運(yùn)輸?shù)取?/p>

    單車體移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法通常采用姿態(tài)空間法，即以機(jī)器人外接圓半徑擴(kuò)張障礙物，同時將單車體機(jī)器人縮為一個控制點(diǎn)，于是路徑規(guī)劃可轉(zhuǎn)化為在擴(kuò)張后的姿態(tài)空間中一個點(diǎn)的規(guī)劃路徑^[2]。對于帶拖車的移動機(jī)器人，它的外接圓時刻是變化的，采用包含所有車體的外接圓來拓展障礙物和建立環(huán)境模型的方法往往人為地減少了運(yùn)行空間，使得系統(tǒng)找不到最優(yōu)或可行路徑^[3]。

    本設(shè)計中將牽引車部分設(shè)計在拖車前端的車底部，因此該機(jī)器人在運(yùn)行過程中仍可看成是一個單車體。針對該結(jié)構(gòu)建立運(yùn)動學(xué)模型，以搭載著ROS的MiniPC作為上位機(jī)，接收底層編碼器與激光雷達(dá)反饋的信息，完成自主定位與路徑規(guī)劃的相關(guān)計算，并向下位機(jī)發(fā)送機(jī)器人控制點(diǎn)的速度與角速度信息。以STM32F103作為下位機(jī)，接收上位機(jī)傳來的運(yùn)動信息并最終換算成驅(qū)動輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速，驅(qū)動底層電機(jī)轉(zhuǎn)動，完成機(jī)器人控制系統(tǒng)的搭建，并在機(jī)器人實(shí)體上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1 帶單節(jié)拖車的配送機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型建立

1.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)介紹

    如圖1、圖2所示，整個機(jī)器人結(jié)構(gòu)可以分為兩大部分，一部分為牽引車車頭轉(zhuǎn)向部分，另一部分為拖車部分。牽引車轉(zhuǎn)向部分通過轉(zhuǎn)盤與拖車部分連接，牽引車部分的兩個輪為驅(qū)動輪，驅(qū)動電機(jī)尾部安裝有編碼器，可以得到驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息；牽引車部分與拖車部分安裝有陀螺儀，可以測得車頭與拖車部分的相對轉(zhuǎn)動角度信息。拖車前部上方安裝有激光雷達(dá)，可以為上位機(jī)反饋周邊環(huán)境信息。

1.2 運(yùn)動學(xué)模型建立

    將以上機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，得到如圖3所示的運(yùn)動簡圖。其中，k₀點(diǎn)為機(jī)器人車頭牽引車部分的旋轉(zhuǎn)中心，k₁點(diǎn)為機(jī)器人拖車部分后輪中心部位。V₀、W₀為k₀點(diǎn)運(yùn)動的速度與角速度，V₁、W₁為k₁點(diǎn)運(yùn)動的速度與角速度，L為k₀到k₁長度，α為車頭驅(qū)動輪與拖車車軸的夾角，X-Y為k₁點(diǎn)的坐標(biāo)系，θ是k₁點(diǎn)運(yùn)動方向與X軸的夾角。假設(shè)：整個系統(tǒng)是在平面上運(yùn)動；車輪是無滑動的；車體關(guān)于其縱向軸線對稱；車輪與地面是點(diǎn)接觸，且是純滾動運(yùn)動；車體是剛體；用于牽引車車頭與車體連接的轉(zhuǎn)盤是無摩擦的。

    對于自主運(yùn)動的帶拖車配送機(jī)器人，選取拖車部分后軸中心為控制點(diǎn)，即k₁點(diǎn)。上位機(jī)通過控制k₁點(diǎn)的速度與角速度來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主運(yùn)行。

    V₁、W₁與V₀、W₀的關(guān)系如下：

2 ROS簡介

    在2007年，斯坦福大學(xué)與機(jī)器人技術(shù)公司W(wǎng)illow Garage進(jìn)行了一次項目合作，ROS系統(tǒng)便誕生于這次的項目合作^[4]，由于其分布式的控制機(jī)制使得機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)大大簡化，在這之后ROS便被機(jī)器人領(lǐng)域的眾多研究人員所熟知^[5]。

    ROS運(yùn)行時是由多個松耦合的進(jìn)程組成的，這些進(jìn)程被稱之為節(jié)點(diǎn)(Node)，每個節(jié)點(diǎn)獨(dú)立運(yùn)行，又與其他相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。在實(shí)際使用時，這種模塊化的設(shè)計可以大大提高開發(fā)效率^[6]。

    ROS支持多種開發(fā)語言，不同的節(jié)點(diǎn)可以采用不同的語言進(jìn)行編寫。由于各個節(jié)點(diǎn)模塊的獨(dú)立性與開源性，使得所有ROS使用者都可以將自己編寫的功能包進(jìn)行共享^[7]。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

    從該機(jī)器人工作角度考慮，控制系統(tǒng)設(shè)計整體分為兩部分：上位機(jī)設(shè)計與下位機(jī)設(shè)計。上位機(jī)由PC主機(jī)與車載MiniPC機(jī)組成，兩者之間通過無線局域網(wǎng)進(jìn)行通信。下位機(jī)由車體、車輪、帶編碼器的直流減速電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器、STM32F103開發(fā)板、電源、陀螺儀以及激光雷達(dá)組成。STM32F103RCT6作為下位機(jī)的主要控制單元，其作用是將上位機(jī)發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)換成各個電機(jī)對應(yīng)的速度，并將其輸出給電機(jī)驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同形式的運(yùn)動；與此同時，STM32將編碼器反饋的速度信號進(jìn)行計算和轉(zhuǎn)換，得到對應(yīng)車輪的速度信息并將這些信息反饋給上位機(jī)。在拖車部分和牽引車車頭部分分別安裝有一個陀螺儀，陀螺儀的型號為TransducerM，通過計算兩個陀螺儀的偏航角之差，可得到牽引車相對于拖車部分的旋轉(zhuǎn)角度，即圖3中的角α。激光雷達(dá)采用的是HOKUYO公司的URG-04LX-UG01二維激光雷達(dá)，用于反饋周圍環(huán)境信息給上位機(jī)。

    上位機(jī)的車載MiniPC以拖車尾部車軸中點(diǎn)為控制點(diǎn)，向下位機(jī)發(fā)送移動指令。本設(shè)計中上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送的是該點(diǎn)的速度與角速度信息。同時接受下位機(jī)反饋的里程信息。車載MiniPC采用的是占美微型電腦，電源采用12 V-5 A適配器，具有體積小、價格低、性能高、接口豐富等特點(diǎn)。控制系統(tǒng)硬件框圖如圖4所示。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

    控制系統(tǒng)軟件設(shè)計在移動機(jī)器人的整體設(shè)計中占有絕對的核心地位，這直接關(guān)系到機(jī)器人運(yùn)行的魯棒性與穩(wěn)定性。本設(shè)計中的控制系統(tǒng)軟件是基于ROS平臺。在車載MiniPC中裝有ROS系統(tǒng)，車載MiniPC與下位機(jī)通過串口進(jìn)行通信，主控電腦通過無線局域網(wǎng)采用ssh遠(yuǎn)程登錄方式對車載MiniPC進(jìn)行控制。下位機(jī)通過解算由上位機(jī)發(fā)送的速度與角速度等信息最終得到驅(qū)動電機(jī)的PWM波值，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

    下位機(jī)的主要作用是接收上位機(jī)傳來的運(yùn)動信息，并解算成最終的驅(qū)動信號，與此同時，向上位機(jī)反饋里程計信息，供上位機(jī)做位姿定位使用。圖5為下位機(jī)的工作流程圖。

    下位機(jī)上電后首先對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化，這里由于整個配送機(jī)器人是在室內(nèi)環(huán)境下使用的，因此陀螺儀初始化時就失去了使用GPS的校準(zhǔn)功能，但是初始化完成后，陀螺儀偏航角的相對精度還是可以保證的。

    當(dāng)下位機(jī)接收到上位機(jī)傳來的控制點(diǎn)的角速度W₁與速度V₁信息時，通過式(3)將其解算成牽引車部分運(yùn)動的速度V₀與航向角度α。為了減少下位機(jī)運(yùn)算量和防止角速度的突變，直接給定車頭部分一個恒定的角速度量W₀=0.4 rad/s，當(dāng)V₁=0時，W₀=0。W₀的正負(fù)由W₁決定，當(dāng)W₁為正時，W₀=0.4 rad/s；當(dāng)W₁為負(fù)時，W₀=-0.4 rad/s。牽引車與拖車部分的陀螺儀通過串口反饋各自的偏航角，在系統(tǒng)初始化之后，以當(dāng)前偏航角值為初始值，計算各自的變化量，再將兩者相減，即可得到牽引車與拖車部分的相對轉(zhuǎn)角α^*。再將此轉(zhuǎn)角與解算后的目標(biāo)α做對比，直到α^*=α?xí)r，車頭部分的W₀=0，只留下一個前進(jìn)方向的速度V₀，在這里為了防止?fàn)恳囋谀繕?biāo)α角周圍來回抖動，所以將目標(biāo)α角范圍擴(kuò)大±0.2。

    接下來將牽引車部分的速度與角速度進(jìn)行換算得到最終驅(qū)動電機(jī)的PWM波值。與此同時，下位機(jī)還將讀取到的編碼器信息通過式(1)換算成控制點(diǎn)的速度與角速度信息，再由串口回傳至上位機(jī)做處理。

4.2 上位機(jī)軟件的設(shè)計

    上位機(jī)的主要作用是對下位機(jī)反饋的里程計信息以及激光雷達(dá)捕捉到的周圍環(huán)境的信息進(jìn)行計算，得到當(dāng)前整車的位姿信息，并且對下一步的運(yùn)動路線進(jìn)行規(guī)劃，換算成速度與角速度信息，發(fā)送給下位機(jī)。

    在建好地圖的情況下，ROS導(dǎo)航主要需要使用到兩個程序包，一個是move_base，另一個是amcl。move_base包可以根據(jù)各個傳感器反饋的信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，使機(jī)器人移動到指定位置，amcl包主要是根據(jù)已有的地圖進(jìn)行自主定位與導(dǎo)航^[8]。圖6為導(dǎo)航包的整體格局。

    move_base包主要提供了對于自主導(dǎo)航的相關(guān)參數(shù)配置、系統(tǒng)與各種傳感器的接口等，主要包括兩個部分。第一部分為全局路徑規(guī)劃（global planner）：使用者給定目標(biāo)位置后，系統(tǒng)根據(jù)給定的目標(biāo)位置進(jìn)行整體路徑規(guī)劃；第二部分為本地實(shí)施規(guī)劃（local planner）：在導(dǎo)航過程中，系統(tǒng)根據(jù)自身傳感器所反饋的周圍環(huán)境信息，對附近的障礙物進(jìn)行避障路線規(guī)劃。

    除此之外ROS還提供了一種可視化工具——rviz。使用這種插件機(jī)制可以擴(kuò)展豐富的功能，便于進(jìn)行二次開發(fā)^[9]。在這里，可以通過設(shè)置footprint的大小來規(guī)定機(jī)器人的最大邊界，由于該移動機(jī)器人的牽引車驅(qū)動部分處于拖車車體前端的下方，因此拖車部分的最大邊界即為整車的最大邊界。通過rviz，還可以實(shí)時觀測到機(jī)器人在地圖中的位置、激光雷達(dá)反饋的信息、每一時刻的速度方向以及上位機(jī)對導(dǎo)航路徑的規(guī)劃情況等。

5 配送機(jī)器人實(shí)驗(yàn)與分析

    帶單節(jié)拖車的配送機(jī)器人樣機(jī)如圖7所示。在實(shí)驗(yàn)開始之前，需要將車載MiniPC與遠(yuǎn)程控制PC都連接上同一個WiFi，在遠(yuǎn)程控制PC上打開一個終端，通過ssh命令登錄上車載MiniPC，啟動控制機(jī)器人的所有相關(guān)節(jié)點(diǎn)。在遠(yuǎn)程控制PC端打開rviz界面，輸入機(jī)器人起始點(diǎn)信息，給定目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人即可開始自主導(dǎo)航。

    圖8是機(jī)器人在直線走廊的導(dǎo)航情況，圖9是機(jī)器人在直線走廊導(dǎo)航的rviz結(jié)果，圖10是機(jī)器人在“T”字形走廊拐角處的導(dǎo)航情況，圖11是機(jī)器人在“T”字形走廊拐角處的導(dǎo)航的rviz結(jié)果。

    由圖可見，該機(jī)器人在直線走廊中可以順利地避開遇到的障礙物，在“T”字形走廊拐角處也可以兼顧到拖車部分的轉(zhuǎn)向情況，實(shí)現(xiàn)了帶單節(jié)拖車的自主導(dǎo)航。

6 結(jié)論

    本文研究了帶單節(jié)拖車的配送機(jī)器人控制系統(tǒng)，并在物理樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的功能。針對帶單節(jié)拖車的配送機(jī)器人，提出了一種采用單車體運(yùn)動學(xué)模型控制帶單節(jié)拖車的配送機(jī)器人的控制方案，建立了運(yùn)動學(xué)模型，以及下位機(jī)接收到上位機(jī)信息之后的決策方案，從而有效地解決了帶單節(jié)拖車的室內(nèi)配送機(jī)器人遇到障礙物的避障問題與在“T”字形走廊的轉(zhuǎn)向問題。

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作者信息:

任工昌1，吳夢珂1，朱愛斌2，劉  朋1，宋紀(jì)元2

（1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710021；2.陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710049）